含層理礦石微波加熱后的沖擊破碎特性研究

程豪杰，李占金，郝家旺，甘德清，楊銘

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063000；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

由于原始地質(zhì)構(gòu)造造礦的復(fù)雜性，導(dǎo)致實(shí)際工程中較多的金屬礦石均在不同程度上分布著層理結(jié)構(gòu)面，層理結(jié)構(gòu)面也可稱為礦石內(nèi)部的弱面結(jié)構(gòu)。含層理面的礦石在破碎、掘進(jìn)等作業(yè)中，其破壞特性與未含層理面的一般巖石相比具有顯著的不同，主要表現(xiàn)在：含層理結(jié)構(gòu)面礦石易沿層理面(弱面)實(shí)現(xiàn)剪切滑移或劈裂破壞[1-2]。

在實(shí)際破碎礦石的過程中，礦石將受到?jīng)_擊載荷作用，目前關(guān)于層理巖石破壞的研究，大部分成果集中在靜力學(xué)中，主要在力學(xué)特性、破壞模式、聲發(fā)射AE特征、波速變化、能量耗散等方面取得了大量成果[3-6]。然而，關(guān)于沖擊載荷下層理巖石的破壞研究較少，主要集中在以下研究中。例如，趙毅鑫等[7]發(fā)現(xiàn)隨層理面傾角增大，材料的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度呈先減小后增大現(xiàn)象，并指出當(dāng)層理面方向與主應(yīng)力方向呈0°或90°夾角時(shí)，巖石以張拉應(yīng)力主導(dǎo)的劈裂破壞為主。對于含層理面煤巖的巴西圓盤沖擊試驗(yàn)，ZHAO Y X等[8]從數(shù)值模擬角度研究也取得了一定進(jìn)展。與趙毅鑫的研究成果相比不同的是，李地元等[9]通過砂巖的沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不管層理面傾角如何變化，砂巖的沖擊破壞總體上均呈現(xiàn)沿主應(yīng)力方向的劈裂破壞；龔爽等[10]通過對直槽半圓彎曲煤巖試件的沖擊斷裂試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，材料的斷裂韌度隨層理面的增大而升高，煤巖材料的吸收能隨傾角的增大而增大。

微波照射輔助沖擊碎巖技術(shù)作為我國近十幾年來逐漸被學(xué)者們關(guān)注的研究方法，也取得了不錯(cuò)的成果，如盧高明等[11]研究發(fā)現(xiàn)，加熱時(shí)間越長、輸出功率越高，巖石表面溫度越高，其強(qiáng)度的弱化作用越明顯，并在礦石的鑿巖掘進(jìn)中成功得到了應(yīng)用；李元輝等[12]探討了不同加熱路徑下的巖石破壞情況，發(fā)現(xiàn)加熱功率越高，巖石表面越容易產(chǎn)生因熱應(yīng)力而形成的宏觀微波裂紋，并且玄武巖整體更易出現(xiàn)開裂、崩落現(xiàn)象，巖石試件的P波波速降低明顯；戴俊等[13]對高、中、低3種微波功率加熱后的巖石抗沖擊能力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)巖石經(jīng)中微波功率(4～6 kW)處理后，其抗沖擊荷載的能力下降最明顯。

基于此，本文利用落錘沖擊設(shè)備對經(jīng)微波加熱礦石與未經(jīng)微波加熱礦石進(jìn)行沖擊載荷試驗(yàn)，結(jié)合高速攝影技術(shù)，旨在進(jìn)一步揭示沖擊載荷下層理礦石的破碎特性。

1 試 驗(yàn)

1.1 礦石的微波處理

微波加熱輔助破巖作為新興技術(shù)，微波加熱通過快速升溫降低巖石的力學(xué)特性，減輕機(jī)械破巖中刀具磨損，提高破巖效率。微波加熱是利用礦石內(nèi)部各成分對微波能吸收的差異性，不同礦物成分吸收不同微波能，產(chǎn)生不同熱應(yīng)力，在不同熱應(yīng)力作用下膨脹產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使礦石內(nèi)部原生的微裂紋擴(kuò)展形成更多微裂紋，造成礦石損傷，引起礦石強(qiáng)度下降，本試驗(yàn)使用微波加熱技術(shù)結(jié)合沖擊試驗(yàn)分析礦石破碎的力學(xué)特性。

選用首鋼集團(tuán)水廠鐵礦的同一塊完整磁鐵石英巖原巖，密度3.31 g/cm3、單軸抗壓強(qiáng)度88～107 MPa。首先，利用巖石切石機(jī)將巖樣加工成含不同層理傾角，尺寸50 mm×50 mm×100 mm的長方體試件；其次利用巖石磨石機(jī)使試件兩端面不平行度誤差<0.05 mm，直徑誤差<0.3 mm；最后，利用RWLM6型微波加熱設(shè)備(馬弗爐，圖1)對不同層理傾角的礦石進(jìn)行功率2 kW、時(shí)間5 min的微波照射加熱處理。經(jīng)微波加熱的試件稱為WJL組，加熱后的礦石進(jìn)行室溫自然冷卻(環(huán)境溫度為恒溫28 ℃)，未經(jīng)微波照射的試件稱為JL組。

圖1 微波加熱設(shè)備

微波加熱裝置內(nèi)含有溫度探頭，測得的溫度為礦石表面溫度。不同層理傾角礦石在功率2 kW、時(shí)間5 min微波加熱處理后的溫度與升溫速率如表1所示。不同層理傾角的礦石加熱后的溫度表現(xiàn)出明顯差異，傾角40°～60°溫度較高，溫度的變化與升溫速率表現(xiàn)出緊密相關(guān)。微波升溫作用下，礦石層理結(jié)構(gòu)弱面處與其他位置存在溫度差異，升溫速率越大，其溫度梯度越大，造成礦石內(nèi)部熱應(yīng)力在層理結(jié)構(gòu)弱面處積聚越大，從而在礦石內(nèi)部產(chǎn)生一定程度的微破裂，破裂的產(chǎn)生使結(jié)構(gòu)弱面處能量得到快速釋放，因而礦石表面溫度有所差異。

表1 不同層理傾角礦石微波加熱溫度與升溫速率

1.2 礦石沖擊試驗(yàn)

采用DP-1200型落錘設(shè)備，對礦石試件進(jìn)行沖擊破壞試驗(yàn)(礦石層理傾角10°～90°)，沖擊高度H=1 000 mm、錘質(zhì)量50 kg，每組試驗(yàn)選用3塊試件。利用Fastec-ts3型高速攝影機(jī)拍攝落錘沖擊載荷作用下礦石試件破碎過程，拍攝速度為450幀/s，落錘沖擊試驗(yàn)簡圖如圖2所示。

圖2 落錘沖擊試驗(yàn)簡圖

試驗(yàn)中為了能夠清晰觀察到?jīng)_擊破碎過程中礦石表面的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，使礦石裂紋的演化效果更為明顯，預(yù)先在礦石采集面預(yù)制合理的底色(噴白色油墨)。試塊底色處理結(jié)果如圖3所示。

圖3 試塊底色處理結(jié)果

2 礦石沖擊動(dòng)力學(xué)分析

2.1 落錘沖擊下礦石力學(xué)曲線處理說明

在落錘對礦石的沖擊試驗(yàn)中，得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線與常規(guī)靜力學(xué)驗(yàn)、SHPB沖擊破壞試驗(yàn)中的載荷位移曲線相比，有很大不同，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)初始加載階段。與靜力學(xué)試驗(yàn)相比，隨著加載進(jìn)行，力學(xué)曲線上無明顯壓密階段，在落錘沖擊破壞試驗(yàn)中，因沖擊載荷較大且屬瞬態(tài)破壞，其力學(xué)曲線表現(xiàn)為激增；與兩種試驗(yàn)(靜力學(xué)及巖石SHPB)相比，落錘沖擊試驗(yàn)無明顯的彈性階段和塑性階段。

(2)峰后裂紋擴(kuò)展階段。在本研究中，所有 礦石試件均出現(xiàn)類似如圖4(a)所示的峰后狀態(tài)，即峰后曲線表現(xiàn)為高度震蕩波動(dòng)變化。這與鋼材、混凝土材料的落錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異，圖4(b)為鋼材的落錘沖擊力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)[14]，當(dāng)超過材料的峰值應(yīng)力后，曲線表現(xiàn)為平滑下降趨勢。之所以產(chǎn)生這樣的差異，這是因?yàn)椋簝煞N介質(zhì)材料不同。與鋼材、混凝土類等人工材料相比，礦石屬典型的非均質(zhì)、各向異性物質(zhì)，其峰后破壞階段，有大量的不穩(wěn)定裂紋發(fā)育、擴(kuò)展、貫通；研究方向的差異。在鋼材、混凝土類材料的沖擊試驗(yàn)中，目的是監(jiān)測其“抗沖擊性能”，而對于本研究中的礦石，目的則是研究其“沖擊破壞特性”，材料的破壞程度遠(yuǎn)低于礦石的沖擊破碎。落錘沖擊試驗(yàn)與SHPB、靜力學(xué)試驗(yàn)相比，最大的不同便是礦石失穩(wěn)破壞后，試驗(yàn)仍在進(jìn)行。因此，礦石峰后表現(xiàn)為高度震蕩波動(dòng)變化。

圖4 力學(xué)曲線的處理

落錘沖擊破碎礦石的原始數(shù)據(jù)可分為4段：試驗(yàn)開始階段，出現(xiàn)在某一數(shù)值范圍內(nèi)波動(dòng)的、近似與橫坐標(biāo)軸平行的線段，對于該段可直接去除；從錘頭接觸開始，直到峰值應(yīng)力出現(xiàn)；礦石峰后曲線，此段呈現(xiàn)“高度震蕩階段”，未能直觀觀察，本研究采用平滑處理，如圖4(a)所示；峰值載荷之后，原曲線在下降到某一值后(圖4中A處)，會(huì)出現(xiàn)一定程度的上升(原因是礦石失穩(wěn)破壞后，試驗(yàn)仍在進(jìn)行，直至試驗(yàn)結(jié)束)，對此上升階段也同樣去除,從而得到了礦石的全過程力學(xué)曲線(圖4)。

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2.2 層理傾角效應(yīng)對礦石力學(xué)性質(zhì)的影響

磁鐵礦石的沖擊破壞，重點(diǎn)關(guān)注的是其峰值強(qiáng)度，這對于礦石破碎設(shè)備性能的改進(jìn)，具有重要研究價(jià)值。

選取JL,WJL各組中礦石層理傾角特征明顯且微波加熱后礦石完整性較好的試件，得到如圖5所示的不同層理傾角下應(yīng)力應(yīng)變曲線。由圖5(a)和(b)可知，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)一定的屈服階段，當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力后，曲線快速跌落，不穩(wěn)定裂紋開始擴(kuò)展，之后穩(wěn)定裂紋發(fā)育、擴(kuò)展，礦石的脆性較強(qiáng)。表2給出了JL組和WJL組從錘頭與巖石接觸開始，到礦石達(dá)到峰值應(yīng)力之間的曲線線性擬合得到的斜率值，該斜率值可以表征在落錘沖擊試驗(yàn)下礦石抵抗瞬時(shí)沖擊能的能力。由表2可以看出，JL組隨層理傾角增大，曲線傾斜程度呈現(xiàn)“高→低→高”的變化過程。

圖5 各組應(yīng)力-應(yīng)變曲線及動(dòng)態(tài)強(qiáng)度變化曲線

圖5(c)和(d)為經(jīng)微波加熱處理后的不同層理傾角下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，結(jié)合表2可以看出，曲線的傾斜程度基本呈先減小后增大趨勢，經(jīng)微波加熱處理后的礦石，其應(yīng)力應(yīng)變曲線在超過峰值應(yīng)力后，比未經(jīng)加熱處理的礦石應(yīng)力跌落程度較低，礦石的脆性程度降低，延性較強(qiáng)。

在巖石的沖擊動(dòng)力學(xué)研究中，巖石的峰值應(yīng)力高于常規(guī)靜力學(xué)試驗(yàn)中的。這是因?yàn)樗矐B(tài)沖擊下，礦石沒有足夠時(shí)間用于內(nèi)部能量的積累，只能通過增大內(nèi)部應(yīng)力平衡材料內(nèi)部沖量的激增變化，即礦石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度顯著增長。

圖5(e)為不同層理傾角下礦石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的變化趨勢。由圖5可知，隨層理傾角增大，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度呈先減小后升高的趨勢，層理傾角60°時(shí)，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度最?。粌A角10°時(shí)，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度最大。經(jīng)微波加熱處理的礦石，因攜帶能量的微波，使礦石內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，礦物成分的不同，使礦石內(nèi)部不同空間位置處，產(chǎn)生各向異性的非均等熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，在礦石弱面處產(chǎn)生熱應(yīng)力微觀裂紋，加重了礦石內(nèi)部損傷，導(dǎo)致礦石抵抗外界載荷變形性能降低。

表2 JL組與WJL組峰前曲線線性擬合斜率值

巖石類材料的強(qiáng)度特性取決于外載荷的應(yīng)力狀態(tài)以及巖石本身層理結(jié)構(gòu)等因素。在沖擊破壞過程中，含層理結(jié)構(gòu)面的礦石既有與層理結(jié)構(gòu)面平行的τ剪切滑動(dòng)，又有沿外載主應(yīng)力方向的劈裂破壞。由Coulomb準(zhǔn)則可知，巖石破壞角θ=π/4+φ/2，其中，φ為內(nèi)摩擦角，由于礦石的層理面黏結(jié)性較強(qiáng)，故φ較高，而φ一般為0～30°。因此，本研究中礦石的剪切破壞角θ稍低于60°。

結(jié)構(gòu)面傾角約為60°時(shí)，結(jié)構(gòu)面中的剪切面與層理走向基本一致，實(shí)際破壞角與準(zhǔn)則破壞角基本重合，此時(shí)礦石的強(qiáng)度較低；當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角高于或低于60°時(shí)，礦石除沿結(jié)構(gòu)面走向發(fā)生剪切滑移外，受主應(yīng)力影響，發(fā)生穿層破壞、劈裂破壞，礦石強(qiáng)度高于結(jié)構(gòu)面傾角為60°時(shí)的；當(dāng)層理面傾角為10°時(shí)，礦石以劈裂破壞為主，此時(shí)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度最高。

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)，定量評(píng)價(jià)本研究中含不同層理結(jié)構(gòu)面的礦石各向異性程度的高低，采用J.Singh[15]提出的“各向異性比”進(jìn)行評(píng)價(jià)，即以0°～90°間的強(qiáng)度最大值σci(max)與0°～90°間的強(qiáng)度最小值σci(min)之比Rc表示，

Rc=σci(max)/σci(min)。

(1)

異性比Rc可分為4類，見表3[15]。本研究中未經(jīng)微波加熱處理的礦石試件，其Rc為1.90，屬低等各向異性材料；經(jīng)微波處理的礦石試件，其Rc為2.18，屬中等各向異性材料。表明含不同層理結(jié)構(gòu)面傾角的礦石，經(jīng)微波加熱處理后，反映到其力學(xué)特性中，各向異性程度得到了加強(qiáng)。

表3 含層理礦石異性比的分類

3 礦石沖擊破壞過程分析

限于版面，選取層理面傾角為30°，50°，60°，90°的礦石試件破壞過程進(jìn)行分析，如圖6～9所示(經(jīng)微波加熱處理的礦石，其破壞過程與未經(jīng)微波加熱礦石相比基本一致，故統(tǒng)一進(jìn)行分析)。

圖6 層理結(jié)構(gòu)面傾角30°時(shí)礦石的破壞過程

分析可知，在沖擊破壞過程中，對于傾角為30°～50°，70°～90°的礦石試件，其主要出現(xiàn)沿層理結(jié)構(gòu)面方向與沿主應(yīng)力方向的細(xì)小裂紋，隨著破壞進(jìn)一步進(jìn)行，細(xì)小裂紋發(fā)育、擴(kuò)展，逐漸出現(xiàn)與水平方向呈一定夾角的剪切裂紋，該種裂紋擴(kuò)展路徑不規(guī)則，后續(xù)與沿結(jié)構(gòu)面方向裂紋、沿主應(yīng)力方向裂紋逐漸匯合、貫通，最后切割破壞礦石，試件以破壞性拉、剪裂紋導(dǎo)致整體破壞。

不同之處在于，當(dāng)層理結(jié)構(gòu)面傾角為60°時(shí)，盡管有部分軸向拉伸裂紋出現(xiàn)，但礦石試件主要以沿層理結(jié)構(gòu)面方向?qū)崿F(xiàn)剪切滑移破壞，此時(shí)含層理結(jié)構(gòu)面的巖石實(shí)際破裂角度與Coulomb準(zhǔn)則中的剪切破壞角基本一致，在該角度下，因礦石試件主要以沿層理結(jié)構(gòu)面方向的剪應(yīng)力實(shí)現(xiàn)破壞，導(dǎo)致了礦石抵抗外界載荷的變形性能降低，其強(qiáng)度最小。

圖7 層理結(jié)構(gòu)面傾角50°時(shí)礦石的破壞過程

圖8 層理結(jié)構(gòu)面傾角60°時(shí)礦石的破壞過程

圖9 層理結(jié)構(gòu)面傾角90°時(shí)礦石的破壞過程

基于高速攝影技術(shù)分析得出，對于沖擊載荷下含不同層理結(jié)構(gòu)面的礦石，當(dāng)其傾角為60°左右時(shí)，試件的宏觀失穩(wěn)破壞以剪應(yīng)力主導(dǎo)的層理滑移實(shí)現(xiàn)破壞；當(dāng)傾角為其他角度時(shí)，試件則以拉應(yīng)力主導(dǎo)的沿軸向劈裂、剪應(yīng)力主導(dǎo)的層理滑移混合破壞。這與前文中“層理傾角效應(yīng)對礦石力學(xué)性質(zhì)的影響”分析具有一致性。

4 結(jié) 論

(1)隨層理傾角增大，礦石動(dòng)力學(xué)曲線的傾斜程度呈現(xiàn)“高→低→高”的變化過程，礦石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度呈先減小后增大的現(xiàn)象。在傾角為60°左右時(shí)，強(qiáng)度值最??；傾角為10°左右時(shí)，強(qiáng)度值最大。經(jīng)微波加熱處理后的礦石，其抵抗外界載荷的變形性能降低，即經(jīng)微波處理的礦石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度低于未經(jīng)微波處理礦石的。

(2)沖擊載荷下，當(dāng)層理結(jié)構(gòu)面傾角為60°時(shí)，礦石試件主要以剪應(yīng)力主導(dǎo)的沿層理結(jié)構(gòu)面方向?qū)崿F(xiàn)破壞。其他傾角的礦石試件，主要出現(xiàn)沿層理結(jié)構(gòu)面方向與沿主應(yīng)力方向的細(xì)小裂紋，隨著破壞進(jìn)一步進(jìn)行，細(xì)小裂紋逐漸發(fā)育、擴(kuò)展，最后切割破壞磁鐵礦石，試件以拉應(yīng)力主導(dǎo)的沿軸向劈裂、剪應(yīng)力主導(dǎo)的層理滑移破壞。

(3)本文探究了微波條件下礦石沖擊破碎特征，該研究成果可為選礦廠破碎層理礦石的相關(guān)工藝流程提供參考。